Røntgenforsøg tyder på høj afstemning af 2-D-materiale

For at se, hvad der driver den eksotiske adfærd i nogle atomtynde - eller 2 -D - materialer, og find ud af, hvad der sker, når de stables som Lego -klodser i forskellige kombinationer med andre ultratynde materialer, forskere ønsker at observere deres egenskaber på de mindst mulige skalaer.

Indtast MAESTRO, en næste generations platform for røntgeneksperimenter ved Advanced Light Source (ALS) ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), der giver nye mikroskala-visninger af denne underlige 2-D-verden.

I en undersøgelse offentliggjort 22. januar i tidsskriftet Naturfysik , forskere nulstillede sig på signaturer af elektroners eksotiske adfærd i et 2-D-materiale med mikroskalaopløsning.

Den nye indsigt fra disse eksperimenter viser, at egenskaberne ved det 2-D halvledermateriale, de studerede, kaldet wolframdisulfid (WS2), kan være meget tunable, med mulige applikationer til elektronik og andre former for informationslagring, forarbejdning, og overførsel.

Disse applikationer kan omfatte næste generations enheder, der stammer fra nye forskningsområder som spintronics, excitonics og valleytronics. På disse felter, forskere søger at manipulere egenskaber som momentum og energiniveauer i et materiales elektroner og modpartikler for mere effektivt at transportere og gemme oplysninger - analogt med vending af dem og nuller i konventionel computerhukommelse.

Spintronics, for eksempel, er afhængig af kontrollen med en iboende egenskab af elektroner kendt som spin, snarere end deres afgift; excitonics kunne multiplicere opladningsbærere i enheder for at forbedre effektiviteten i solpaneler og LED -belysning; og valleytronics ville bruge adskillelser i et materiales elektroniske strukturer som adskilte lommer eller "dale" til lagring af information.

Signalet, de målte ved hjælp af MAESTRO (Microscopic and Electronic Structure Observatory), afslørede en væsentligt øget opdeling mellem to energiniveauer, eller "bands, "forbundet med materialets elektroniske struktur. Denne øgede spaltning lover godt for dets potentielle brug i spintronics -enheder.

WS2 er allerede kendt for at interagere stærkt med lys, også. De nye fund, kombineret med sine tidligere kendte egenskaber, gøre det til en lovende kandidat til optoelektronik, hvor elektronik kan bruges til at styre lysets frigivelse, og omvendt.

"Disse egenskaber kan være meget spændende teknologisk, "sagde Chris Jozwiak, en ALS-videnskabsmand, der ledede undersøgelsen. Den seneste forskning "viser i princippet muligheden for at ændre disse nøgleegenskaber med anvendte elektriske felter i en enhed."

Han tilføjede, "Evnen til at konstruere funktionerne i de elektroniske strukturer i dette og andre materialer kan være meget nyttig til at få nogle af disse muligheder til at gå i opfyldelse. Vi er lige nu på randen af ​​at kunne studere et stort udvalg af materialer, og for at måle deres elektroniske adfærd og studere, hvordan disse effekter udvikler sig på endnu mindre skalaer. "

Undersøgelsen tyder også på, at trioner, som er eksotiske trepartikelkombinationer af elektroner og excitoner (bundne elektronpar og deres modsat ladede modstykke "huller"), kunne forklare de effekter, de målte i 2-D-materialet. Huller og elektroner fungerer begge som ladningsbærere i halvledere, der findes i populære elektroniske enheder.

Forskere brugte en form for ARPES (vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi) ved MAESTRO-strålelinjen til at sparke elektroner væk fra prøver med røntgenstråler og lære om prøvernes elektroniske struktur fra de udstødte elektroners retning og energi. Teknikken kan løse, hvordan elektronerne i materialet interagerer med hinanden.

"Der er meget få direkte observationer af en partikel, der interagerer med to eller flere andre partikler, "sagde Eli Rotenberg, en ledende medarbejder ved ALS, der konceptualiserede MAESTRO for mere end et årti siden. Det blev bygget med det formål direkte at observere sådanne "mange-krop" -interaktioner i detaljer, som ikke var mulige før, han sagde. "Det var det, vi gik efter, da vi byggede MAESTRO bjælkelinjen."

MAESTRO, som åbnede for forskere i 2016, indeholder også flere stationer, der gør det muligt for forskere at fremstille og manipulere prøver til røntgenundersøgelser, samtidig med at de bevarer uberørte forhold, der beskytter dem mod kontaminering. MAESTRO er en blandt snesevis af røntgenstråler på ALS, der er specialiseret til prøver lige fra proteiner og vacciner til batterier og meteoritter.

Ud over MAESTROs præcise målinger, den omhyggelige forberedelse af wolframdisfulfidflagerne i tilstrækkelig størrelse til undersøgelse, og deres overførsel til et basismateriale (substrat), der ikke hindrede deres elektroniske egenskaber eller blokerede røntgenmålingerne, var også afgørende for succesen med den seneste undersøgelse, Jozwiak bemærkede.

Jyoti Katoch, undersøgelsens hovedforfatter og forsker ved Ohio State University, sagde, "To-dimensionelle materialer er ekstremt følsomme over for deres omgivelser, så det er bydende nødvendigt fuldt ud at forstå rollen som eksterne forstyrrelser, der påvirker deres egenskaber. "

Katoch arbejdede sammen med Roland Kawakami, en fysikprofessor ved Ohio State, ved forberedelse af prøverne og design af eksperimentet. De koblede prøver af WS2 til bornitrid, som gav en stabil, ikke-interagerende platform, der var afgørende for røntgenmålingerne. Derefter brugte de et metal som en "ekstern knap" til at ændre egenskaberne af WS2.

"Denne undersøgelse muliggør to kritiske gennembrud:den giver en klar grundlæggende forståelse for, hvordan man fjerner ydre effekter, når man måler 2-D-materialers iboende egenskaber, og det giver os mulighed for at justere egenskaberne ved 2-D-materialer ved blot at ændre deres miljø. "

Søren Ulstrup, en adjunkt ved Aarhus Universitet, der havde arbejdet med WS2 MAESTRO -eksperimenterne som postdoktor, tilføjet, "At se de iboende elektroniske egenskaber ved WS2 -prøverne var et vigtigt skridt, men den største overraskelse ved denne undersøgelse opstod måske, da vi begyndte at øge antallet af elektroner i systemet - en proces kaldet doping.

"Dette førte til den dramatiske ændring af opdelingen i bandstrukturen i WS2, " han sagde, hvilket tyder på tilstedeværelsen af ​​trioner.

MAESTRO kan klare meget små prøvestørrelser, i størrelsesordenen titalls mikroner, bemærkede Rotenberg, hvilket også er en nøgle til at studere dette og andre 2-D materialer. "Der er et stort skub for at løse materialernes egenskaber på mindre og mindre skalaer, " han sagde, for bedre at forstå de grundlæggende egenskaber ved 2-D-materialer, og forskere arbejder nu på at skubbe MAESTROs muligheder for at studere endnu mindre funktioner - ned til nanoskalaen.

Der accelereres F &U i stabling af 2-D lag for at skræddersy deres egenskaber til specialiserede applikationer, Jozwiak sagde, og MAESTRO er velegnet til at måle de stablede materialers elektroniske egenskaber, også.

"Vi kan se en meget eksplicit indvirkning på ejendomme ved at kombinere to materialer, og vi kan se, hvordan disse effekter ændres, når vi ændrer, hvilke materialer vi kombinerer, " han sagde.

"Der er en endeløs række muligheder i denne verden af ​​'2-D Legos, 'og nu har vi endnu et vindue til disse fascinerende adfærd. "